CN106903851A - 用于制备模塑部件的注射成型方法，通过注射成型制备的模塑部件以及注射模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制备注射成型的增强模塑部件的方法，所述模塑部件的纤维取向在局部基础上特别地调整。通过对所使用的注射模具的壁进行适当的、动态控制的补充加热(变温可加热通道)，据此局部腔区域在注射时被加热至聚合物(塑性材料模塑材料)固化温度的温度范围中或固化温度以上的温度(在部分结晶的塑性材料的情况下，无论如何在结晶温度以上，或在非晶的塑性材料的情况下，在玻璃化转变温度以上)。

Description

用于制备模塑部件的注射成型方法，通过注射成型制备的模 塑部件以及注射模具

技术领域

本发明涉及用于制备注射成型的增强模塑部件的方法，所述增强模塑部件的纤维取向在局部基础上被特别地调整。通过对使用的注射模具的壁进行适当的、动态控制的补充加热(变温可加热的通道)，局部腔区域从而在注射时被加热至聚合物(塑性材料模塑材料)固化温度的温度范围中或固化温度以上的温度(无论如何，在部分结晶的塑性材料的情况下，在结晶温度以上，或在非晶的塑性材料的情况下，在玻璃化转变温度以上)。

背景技术

在常规的注射成型中，将塑性材料熔体注射到温度控制的模具中，模具的模具壁温度通常低于各自塑性材料的固化温度(在部分结晶的塑性材料的情况下的结晶温度，或在非晶的塑性材料的情况下的玻璃化转变温度)。熔体前沿的核从而保持可流动，通过注射压力驱使塑性材料到腔中，同时模具壁附近的边缘区域迅速地冷却和固化。一旦填满模具腔，塑性材料完全固化，模塑部件从模具中脱模。在整个的注射成型循环中，模具壁保持相同的温度。因此模具温度控制可以被理解为冷却以消散在每个注射期间被引入到模具中的熔体的热能，所述熔体的热能包括任何可能的结晶热。

在长的流动路径和同时薄的壁厚度的情况下，这会导致横截面的凝结，从而阻碍腔的完全填充。此外，结构化和高光泽的表面并没有完全被复制。此外，如果流动前沿一起流动，其结果是形成可见的合模线。

所谓的变温模具温度控制提供了对于上述问题的解决方案。通过补充加热，将腔在注射时被加热至部分结晶的塑性材料(或在非晶的塑性材料情况下的玻璃化转变温度)的熔体温度水平(至少在结晶温度以上)，在模具填充完成后，其被冷却至显著低于固化温度的温度。从而基本实现在整个表面上均匀地加热模具壁。在注射成型期间，用该方法可以实现的更高熔体温度和模具温度的结果是聚合物熔体的黏度显著地减少，有问题部件的模塑被改善，或使其完全成为可能。因此，温度变化必须尽可能迅速地实现从而可以保证充足的产量。

变温模具温度控制的优点为：

·较少的部件扭曲和变形

·形成高光泽表面，甚至用发泡的塑性材料

·避免模塑部件表面上的纤维痕迹

·薄壁部件能够模塑

·在厚壁部件的情况下减少循环时间

·较高的均一性和由此较大的强度

·无可见的合模线

在该变温模具温度控制的类型中，在注射成型循环期间，加热或冷却整个腔(模具壁)。在非增强的模塑材料的情况下，可以确定的是，在合模线强度被明显的改善，与此相反，如果是包括例如碳纤维或玻璃纤维作为增强纤维的增强的模塑材料被注射时，相比于常规的注射成型方法，用变温模具温度控制并不改变纤维取向，因为纤维取向主要通过浇口位置和由其产生的流动路径而确定。因此，事实上，一些合模线尽管视觉上从模塑部件的表面消失，但其并未从模塑部件本身中消失。因为基于增强的模塑材料的模塑部件的强度通过纤维取向控制，因此合模线强度决不会改善。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种新的注射成型方法，其可以通过局部受限的变温模具温度控制以明确的方式调节塑性材料熔体中增强纤维的取向，从而改善在模具部件的主要加载方向(主要的压力方向)上的强度。

此外，本发明的目的是提供相应的模塑部件，其中存在被包含的纤维的特殊取向排列。本发明的另一目的是提供用于制备根据本发明模塑部件或用于实施根据本发明方法的相应的注射模具。

通过权利要求1的特征实现关于根据本发明方法的该目的，通过权利要求17的特征实现关于相应制备的模塑部件的该目的，通过权利要求19的特征实现关于注射模具的该目的。各从属权利要求从而代表有利的发展。

因此，本发明涉及用于制备由热塑性模塑材料制成的模塑部件的注射成型方法，这些模塑材料包含增强纤维。

从而将热塑性模塑材料以增塑态填充到注射模具中，此时注射模具具有产生待制备的模塑部件外形的腔。热塑性模塑材料从而被加热至指定的温度θ_FM，由此选择如此高的该温度使其确保热塑性模塑材料处于增塑态，可以实现注射成型。

注射模具从而具有浇口位置，热塑性模塑材料可以经由该浇口位置被注入注射模具的腔中。通常，注射模具具有单一的浇口位置，然而本发明不限制为该具体的实施方案，注射模具具有多个浇口位置是同样可能的。

根据本发明的方法，目前提供的注射模具的腔用热塑性模塑材料过量填充、完全填充或部分填充至规定的填充量。据此，过量填充指相比于注射模具的腔体积，将更大体积的热塑性模塑材料注入注射模具的腔中。因此，过量填充注射模具的腔意味着部分热塑性模塑材料，即过量的模塑材料体积必须从注射模具的腔中冒出。这可以通过例如为此目的在注射模具的腔中提供的排放口实现，还可以通过使过量的模塑材料经由接触点冒出而实现，接触点例如形成注射模具的两个子模具和附有腔。然而同样地，注射模具的腔完全填充是可能的，据此，精确地将与注射模具的腔体积相符的热塑性模塑材料的体积注入到注射模具的腔中。或者，注射模具的腔仅部分地填充是可能的，例如相比于注射模具的腔体积，据此将较小体积的热塑性模塑材料注入注射模具中至规定的填充水平。

根据本发明，条件是注射模具的腔在至少一个壁中的具有至少一个变温可加热的通道，其沿轨迹延伸。

通过该至少一个变温可加热的通道，限定注射模具腔的壁的非均匀加热是可能的。通过至少一个变温可加热的通道，从而可以在注射模具的壁中实现温度梯度。相比于现有技术，通过变温温度控制技术从而实现的不是注射模具腔的壁的完全表面加热，而是能够使前述效果实现的仅局部受限的温度控制。

因此，将变温可加热通道嵌入注射模具的壁中。变温可加热通道从而作为注射模具壁进而腔表面的温度控制。变温可加热的通道的轨迹被理解为采用平行于限定注射模具腔的壁的通道方向。优选地，轨迹为平行于限定注射模具腔的壁延伸的向量分量，其是投射到表面上的投影，再现了变温可加热的通道进程。在将变温可加热的通道构形为均匀宽的带的情况下，轨迹例如沿着该通道的中心线形成。同样地，在变温可加热的通道改变宽度的情况下，可以进行沿中心线的轨迹的确定。

从而优选轨迹是可微分的和/或在其整个进程中是恒定的；例如，该区域被排除在通道的分支外，从而还提供相应的轨迹。通过举例的方式，轨迹的进程从而可以是线性的、曲线的、波状的或甚至是共同流入和流出的圆形。

根据优选的实施方案，条件是在注射模具的壁中仅存在一个单一的变温可加热的通道，或注射模具的每个壁存在一个单一变温可加热的通道。同样地，可能的是，至少一个变温可加热的通道具有分支点并可以延伸，在多个区域中其可以再次绑在一起以形成单一变温可加热的通道。

在注射模具具有多个变温可加热的通道的情况下，必须确保这些通道彼此有足够大的间隔使得不实现模具腔的壁的均匀加热，更确切地说实现非均匀的温度模式。据此必须确保在注射成型过程中，变温通道的区域中热塑性模塑材料仍旧保持可加工性，即熔化的，同时在剩余区域具有较高的黏度，或热塑性模塑材料已经固化。

在根据本发明方法的情况下，提供在注射模具的填充之前、过程中和/或之后，将具有至少一个壁的变温通道的注射模具永久地或至少有时设置为温度θ_VT，将注射模具的壁的剩余区域设置为温度θ_W，其适用θ_W<θ_VT。保持该温差至少至热塑性模塑材料的最终冷却。

可以在例如根据本发明方法即注射成型循环的整个过程中保持在注射模具的不同区域中的前述温差，然而至少值至热塑性模塑材料冷却的固化。例如可以通过不再加热或积极地冷却注射模具其整体实现该冷却。

同样地，在注射成型过程的开始，首先适用θ_W＝θ_VT，即整个注射模具具有相同温度是可能的。只有在过程中，即例如在填充过程中或在过量填充的情况下或在填充和过量填充过程两者，可以温度控制变温可加热的通道至高于注射模具的剩余区域温度。例如通过不再加热或冷却使注射模具壁的温度低于剩余区域，例如通过加热维持变温通道中的温度，也可以从而实现温差。

变温可加热的通道的温度控制通过选择性加热变温通道成为可能。

变温可加热的通道的加热可以通过本领域已知的加热方法实现。这些可能性由本领域现有技术是已知的，通过举例方式在这方面参考2011年9月16日提交的出版物“Beitrag zur Entwicklung eines hochdynamischen variothermen Temperiersystemsfür Spritzgieβwerkzeuge”(用于注射模具的高动态变温温度控制系统发展的文章)，M.H.Deckert的论文，Technical University Chemnitz。在其中提出的用于实现变温温度控制系统的所有可能性还可以用于根据本发明的变温可加热的通道的温度控制。

在过量填充、完全填充或部分填充至指定的填充水平后，将包含增强纤维的热塑性模塑材料冷却直至固化，由此产生的模塑部件随后从注射模具中脱模。

因此，本发明的基本方面是在沿指定轨迹在注射模具壁中延伸的一种或更多种变温可加热的通道。借助该变温延伸通道，位于注射模具腔中的塑性模塑材料的特别温度控制因此沿该轨迹是可调节的。因此，在注射模具腔的壁的表面的温度分布是非均匀的，沿变温可加热的通道的轨迹从而可以实现至少偶尔高于注射模具壁的剩余区域温度。因此，在独立于剩余区域的这些区域中可以进一步加热填充到注射模具腔中的热塑性模塑材料，从而可以将其带至更高的温度水平，使在这些区域中的模塑材料温度高于剩余模塑材料的水平。结果是，由于该进一步加热和得到的较高温度水平，可能的是，热塑性模塑材料的黏度减少以及由此辅助了沿变温可加热通道轨迹的热塑性模塑材料的流。从而在注射模具腔的填充期间、过量填充期间、完全填充期间或部分填充期间辅助了沿该轨迹的热塑性模塑材料的流。借助于被辅助的沿轨迹的热塑性模塑材料的流，同样地，因此实现了在热塑性模塑材料中以分散态存在的增强纤维的取向沿变温可加热通道的轨迹。因此可以实现沿着沿轨迹延伸的变温可加热通道的轨迹调节特定的增强纤维的取向。

根据本发明方法的优选实施方案提供了具有至少一个溢出开口的注射模具。当过量填充注射模具时，过量的热塑性模塑材料从而经由溢出开口从注射模具腔中冒出。优选地，溢出腔与溢出开口连接，溢出腔分别与溢出开口以及经由溢出开口与注射模具腔流体连通。溢出腔因此起收集过量体积的热塑性模塑材料的作用，其在注射模具的过量注射过程中从溢出开口冒出。在根据本发明方法的过程中，所收集的热塑性模塑材料体积可以再次循环使用。据此，特别优选的是如果至少一个变温可加热的通道从注射磨具的浇口位置开始，并被引导至至少一个溢出开口，使得热塑性模塑材料在注射模具过量填充的情况下可以冒出注射模具的腔，并可以经由至少一个溢出开口进入各自的溢出腔。

关于根据本发明的以过量填充注射模具的注射模塑法，优选以下阶段的温度控制：注射模具的填充(a)、过量填充(c)和填充和过量填充之间的阶段(b)，其可以设计为等待阶段，在此期间无进一步的模塑材料被注入到注射模具中：

(1)恒温控制：在阶段(a)至(c)过程中，温度θ_W和θ_VT保持不变，总是适用关系θ_W<θ_VT。θ_W为低温水平，同时θ_VT为高温水平。

(2)变温通道的加热：θ_W在阶段(a)至(c)过程中恒定为低温水平。在阶段(a)中，θ_W和θ_VT优选地相差少于50K，特别地适用θ_W＝θ_VT。在阶段(b)中θ_VT达到高温水平使得对于阶段(b)和阶段(c)，适用θ_W<θ_VT。

(3)剩余模具壁的冷却：该选择的特征在于，以在阶段(a)至阶段(c)的过程中，θ_VT恒定在高温水平，在阶段(a)，θ_W处于高温水平。在阶段(a)中，θ_W和θ_VT具有相似温度，其优选地少于相距50K，特别地适用θ_W＝θ_VT。在阶段(b)中降低θ_W至低温水平使得对于阶段(b)和阶段(c)，适用θ_W<θ_VT。

在阶段(c)中温度θ_W和θ_VT的关系与前述的温度控制(1)至(3)是相同的，因为总适用θ_W<θ_VT，θ_VT总是处于高温水平，以及θ_W总处于低温水平。据此，高温水平指模塑材料在该温度范围是可流动的，并保持可流动性，即使以该状态保持相当长的一段时间。低温水平指模塑材料在该温度范围以不是非常可流动的或无流动性存在，即高度黏性或固化的。

在阶段(c)的结束后，降低温度θ_VT使得模塑部件可以从模具中脱模。

特别优选恒定的温度控制(1)，其使得变温通道的加热或剩余模具壁的冷却在阶段(a)至(c)中变得多余，其结果是可以非常简短地实施或保持阶段(b)。

根据该优选的实施方案，其中对注射模具进行过量填充，如果采用至少一个以下措施是有利的：

-5体积％至100体积％，优选10体积％至70体积％，特别优选15体积％至50体积％过量填充的注射模具腔的体积；溢出腔的体积从而优选地与被过量填充的腔的体积比相符。因此，例如100体积％的过量填充的注射模具腔的体积，指在注射成型循环过程中，总共两倍的腔体积注入包括溢出腔的工具中。

-在完全填充后，在开始过量填充之前保持2秒至60秒的等待时间，在其期间优选地升高在具有至少一个壁的变温通道的注射模具区域中的温度θ_VT，和/或降低在注射模具壁的剩余区域中的温度θ_W，和/或

-过量填充持续超过2秒至60秒的时间跨度。

例如，仅通过注射模具的变温通道的加热可以实现温差的调节，同时注射模具的剩余区域不被加热。

因此，在上述的等待时间期间，不会发生热塑性模塑材料进一步的供应到腔中，其仅在等待时间结束后进行。因此，该进一步供应可以等同于在传统的注射成型循环中的保压压力阶段。在等待时间期间，从而优选维持在变温可加热的通道区域中的温度控制。任选地，可以对腔的壁的剩余区域进行冷却。因此，确保了在注射模具腔中的热塑性模塑材料由此保持可流动性和热塑可加工性，而在注射模具腔的剩余区域中的热塑性模塑材料是能够已经被冷却的和非常或完全固化的。因此，在保压压力期间，优选在变温可加热通道的轨迹区域中实现热塑性模塑材料的流，即使不是全部，其结果是实现包含在热塑性模塑材料中的增强纤维的特定取向沿着流，即沿着轨迹。

由于在至少一个变温可加热的通道和在注射模具的剩余区域中的温差，根据本发明的方法是特别有利的，其实现了在热塑性模塑材料中增强纤维取向的调节，实现了沿至少一个变温可加热的通道轨迹增强纤维的取向是基本各向异性的。

尤其，在此情况下，增强纤维的取向由包含在一个有限的体积元中的n个增强纤维的取向张量(a_ij)定义，

其元素a_ij定义如下：

纤维的取向通过取向张量(a_ij)的对角元a₁₁、a₂₂和a₃₃确定，

或分别表示长度1的向量的分量，其平行于第k个纤维延伸，其适用：

在局部坐标系中，分别在至少一个变温可加热通道的区域的每个被研究的有限体积元中表明了向量其中

x轴在各自被研究的有限体积元中，其分别固定地与所述至少一个变温可加热的通道轨迹相切，

y轴正交于x的方向，

z轴正交于x和y的方向，

如果取向张量(a_ij)的元素a₁₁的值在每个给定的有限体积元中为至少0.5，优选0.5至0.98，更优选0.6至0.95，进一步优选0.65至0.9，特别是0.7至0.85，则建立了基本各向异性的取向。

因此，纤维的各向异性取向可以由就其取向而确定的n个增强纤维的代表性的群组来确定。从而建立用于纤维的独立向量，各自的向量由此平行于各自考虑的纤维延伸。因此，有限体积元可以被选为例如具有确定边长的立方体，其尺寸小于变温可加热通道区域的延伸。通常，例如通过光谱学图片确定的分辨率可以用于测量有限体积元。被整体配置在所研究的有限体积元中的那些纤维从而被包含在n个增强纤维的群组中，而且那些纤维由各自的有限体积元的定义表面切割，从而仅部分地在有限体积元中。该有限体积元可以例如为具有10μm范围边长的体元。

对于各向异性取向，仅相对于各个局部坐标系的x分量的取向是相关的。出于该原因，不必提供以上表明的各个坐标系的y分量和z分量的定义。仅用于清楚的目的，例如坐标系的各个y分量可以被认为是正交于注射模具腔的壁。

从而在变温可加热通道的整个区域中配置各向异性，即在变温可加热的通道区域的任何位置实现各向异性。

因此，该定义以外的是，例如实现了变温可加热通道分支到多个可加热通道的区域或连接多个变温可加热通道以形成单一变温可加热通道的区域。在所有位置或这些区域中，由于因多个变温可加热通道引起的不同取向，不能够建立增强纤维的优选取向。

在最终模塑部件中变温可加热通道中的区域对应于相对模塑部件中腔的壁，通过沿变温可加热通道的定界作垂线而包围的区域。

由本领域现有技术是已知增强纤维如玻璃纤维的取向的三维确定，其在例如“Pipeline zur dreidimensionalen Auswertung und Visualisierung derFaserverteilung inKunststoffteilen (Pipeline for Three-DimensionalEvaluation and Visualisation of the Fibre Distribution in Glass Fibre-Reinforced Plastic Material Parts from X-Ray Computer Tomography Data)，J.Kastner等人,在2008年DACH年度会议(St.Gallen–Di.3.A.1)的文章中描述。由此借助具有8.6μm尺寸的体元确定纤维取向。参考本文章的解释，根据本发明可以对借助计算机断层摄影纤维分布进行确定以及对取向张量进行确定。

根据本发明的方法，从而优选地可以实施特别关于阶段(c)，使得满足以下条件中的至少一个：

-θ_VT>θ_G或θ_VT>θ_K，优选θ_VT–θ_G≥10K或θ_VT–θ_K≥10K，θ_G指非晶的热塑性模塑材料的玻璃化转变温度，θ_K为部分结晶的热塑性模塑材料的结晶温度，

-θ_VT的范围为θ_FM±40K和/或

-θ_VT–θ_W≥50K，优选θ_VT–θ_W≥100K。

θ_FM是当进入注射模具腔时模塑材料的温度。

参考ISO标准11357，确定颗粒的热行为(熔点(θ_FM)、熔化焓(ΔHm)、结晶温度(θ_K)和玻璃化转变温度(θ_G))。用20℃/分钟的加热/冷却速率实施差示扫描量热法(DSC)。

因此，可以在注射模具腔的一侧或两侧上配置至少一个变温可加热通道。对于注射成型法，可能使用由至少两个子模具形成的注射模具，当被连接时其体现了腔，从而制备模塑部件的外形。根据该优选的实施方案，因此提供了至少一个变温通道被引入每一个腔中或在被配置在每一个腔中。在优选的实施方案中，在注射模具的各个壁的两侧上存在的变温可加热通道被配置，使得其在各个表面上的投影中彼此等同延伸。在该实施方案的情况下，相同体积区域在注射模具中通过在壁的两侧上配置的变温可加热通道被温度控制。

根据进一步优选的实施方案，至少一个变温可加热通道的面积总和(即通过变温可加热通道可以在腔的表面上温度控制区域的整体表面积)构成1％至50％，优选3％至30％，特别优选4％至20％，特别是5％至10％的注射模具的腔的内表面。

例如，至少一个变温可加热通道可以被配置为变温可加热的带，其优选具有恒定宽度，宽度优选为0.2mm至30mm，优选0.5mm至10mm。然而本发明不限于此。

本发明一个可能的实施方案提供了注射模具具有至少一个突出部。该突出部引起待制备的模塑部件的缺口，即最终的模塑部件在其具有突出部的注射模具地方具有孔。该突出部不用限制其几何结构，并可以是例如圆形、椭圆形、n角形构造，n为3或更大的自然整数。

在该实施方案中，其中注射模具具有至少一个突出部，有利的是，按完全延伸的方式或至少在至少一个突出部周围的至少圆周区域中配置至少一个变温可加热的通道，优选在注射模具壁中腔的一侧或两侧上再每个突出部周围配置分别环绕各个突出部的一个变温可加热通道。

根据该实施方案，因此优选例如在突出部周围配置一个变温可加热的通道，该突出部因此被对应的变温可加热通道整体围绕。

由此优选的是，以完全延伸的方式或至少在至少一个突出部周围的圆周区域中配置的至少一个变温通道具有至少一个在流入方向上的延续和至少一个在流出方向上的延续，优选地，在流入方向上的延续持续到注射模具的浇口位置和/或在流出方向上的延续持续到至少一个溢出开口。在该实施方案中提供的是围绕突出部的变温可加热通道分别具有两个延续，一个在流入方向上——这对应于在注射成型过程中热塑性模塑材料朝向突出部的主流动方向，或在流出方向上——这对应于在突出部周围流动后热塑性模塑材料的流。在突出部周围的该变温可加热通道的各个延续同样被配置为变温可加热的区域。变温可加热通道被包含在突出部周围区域以及所述延续中。

从延续看，因此实现了变温可加热通道的分支，其在对应的突出部周围的区域中形成。在另一个地方，变温可加热通道的两个局部臂轮流打开进入流出方向的延续。

从而特别优选的是，在流入方向上的延续和在流出方向上的延续被配置为相对于突出部的投影彼此抵消，优选被配置为相对于彼此至少120°而抵消，特别是被配置为相对于彼此180°±10°而抵消。因此，范围180°±10°包括在该区域中的任何角度，特别是精确的180°。

在待制备的模塑部件在使用中具有主拉伸负载方向的情况下，即模塑部件在使用时在拉伸和/或永久地拉伸负载下或至少有时拉伸负载下的方向，特别有利的是，在流入方向上的延续和在流出方向上的延续分别具有方向，其在突出部的投影上彼此独立，偏离主拉伸负载方向至多60°，优选至多50°，进一步优选至多40°，特别是至多30°。特别优选地，该条件均适用流入和流出。其结果是，可以实现在突出部得区域中的增强纤维基本以主拉伸负载方向的方向为取向，基本即主要部分，即根据上述定义可以实现主拉伸负载方向的方向上的各向异性分布。从而可以基本防止在变温通道的位置区域中增强纤维相对于主拉伸负载方向横向地取向。在该实施方案中，从而相比于由传统注射成型工艺得到的模塑部件，可以实现模塑部件在主拉伸负载方向的方向上显著增强。

根据本发明的方法，可以使用的热塑性模塑材料从而优选地由其中增强纤维以分散态存在的至少一种热塑性基体聚合物或至少两种热塑性基体聚合物的混合物形成。该热塑性模塑材料当然还可以包含在热塑性模塑材料中包含的常规添加剂，例如常规的添加剂、阻燃剂、塑形剂等。基体聚合物优选地选自聚酰胺，包括聚酰胺酰亚胺、聚醚酰胺、聚酯酰胺；聚碳酸酯；聚烯烃，特别是聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯或聚氯乙烯(PVC)；聚丙烯酸酯/盐，特别是聚丙烯酸酯，例如聚甲基丙烯酸甲酯；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物；聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚对苯二甲酸环己二醇酯；聚砜(特别是PSU、PESU、PPSU类型)，聚苯硫醚；聚醚，特别是聚甲醛、聚苯醚和聚亚苯基氧化物、液晶聚合物；聚醚酮；聚醚醚酮；聚酰亚胺；聚酯酰亚胺、聚酯醚酰胺；聚氨酯，特别是TPU或PUR型；聚硅氧烷；赛璐珞以及其混合物或组合。

优选的增强纤维优选地选自玻璃纤维、碳纤维(碳纤维、石墨纤维)、聚芳族酰胺纤维和晶须。优选使用玻璃纤维和碳纤维。

优选地将增强纤维，特别是玻璃纤维以连续带形式或以切割形式，特别是以短纤维形式包含在模塑材料中，所述短纤维形式例如短玻璃纤维(切割玻璃)。

在短纤维的情况下，特别是短玻璃纤维，这些添加到模塑材料中的纤维优选地具有0.2mm至20mm，优选1mm至6mm，特别是2.5mm的长度。

优选地，增强纤维配有胶料和/或黏合剂。

通常，玻璃纤维可以具有圆形的横截面或非圆形的横截面，还能够使用该体系的混合物。

优选地，在圆玻璃纤维的情况下，使用那些具有直径为5μm至20μm，优选6μm至15μm和特别优选7μm至12μm的圆玻璃纤维。

在扁平纤维的情况下，优选那些具有横截面轴的比例(彼此相互垂直的主横截面轴相对于辅横截面轴)大于或等于2，特别是2.8至4.5，以及其较小的横截面轴具有长度≥4μm的扁平纤维。

从而玻璃纤维优选地由E玻璃构成。然而，可以使用其他类型玻璃纤维，例如A玻璃纤维、C玻璃纤维、D玻璃纤维、M玻璃纤维、S玻璃纤维、R玻璃纤维或其任意混合物，或具有E玻璃纤维的混合物。从而可以添加玻璃纤维为连续纤维或切割玻璃纤维，纤维能够配有合适的胶料体系和黏合剂或黏合剂体系，例如基于硅烷、氨基硅烷或环氧硅烷。

玻璃纤维可以被晶须部分或整体地代替。晶须应理解为针状的晶体，特别是由金属、氧化物、硼化物、碳化物、氮化物、多钛酸盐、碳等组成的单晶，其通常具有多角的横截面，例如钛酸钾晶须、氧化铝晶须、碳化硅晶须。通常，晶须具有0.1μm至10μm的直径以及毫米至厘米的长度范围。同时，其具有高拉伸强度。晶须可以通过在固体上的气相沉积(VS机理)或由三相体系沉积(VLS机理)来制备。

用于根据本发明注射成型法的模塑材料还可以独自包含碳纤维，或与其他增强纤维一起包含碳纤维。碳纤维为由含碳的原料工业制备的增强纤维，该原料通过热解(氧化和碳化)被转化为具有类似石墨排列的碳。各向异性碳纤维显示了高强度和刚性，同时在轴方向上低的断裂伸长。

碳纤维优选地用作碳纤维束，其由几百至成百上千个被称作单丝的碳纤维构成，具有5μm至9μm的直径，1000Mpa至7000Mpa的拉伸强度，200Gpa至700Gpa的弹性模量。通常，将1000个至24000个单丝组合以形成紧张的复丝(连续的碳纤维束，粗纱)。在织布机、编织机、或多轴编织机上、或纤维增强的塑性材料的制备领域中，直接地在预浸单元、线牵引单元(拉挤单元)或绕线机上在实现形成纺织的半成品，例如机织物、嵌毛织物或多轴织物的进一步加工。如短的切割纤维，碳纤维还可以直接地与聚合物或模塑材料混合，通过挤出机和注射成型单元可以加工碳纤维以形成塑性材料成分。

因此，在热塑性模塑材料中增强纤维的重量比例为5重量％至80重量％，优选20重量％至70重量％，特别优选25重量％至65重量％。

热塑性模塑材料可以由上述的成分形成，其同样还可以为常规的添加剂，例如微粒填料和颜料、稳定剂(热稳定剂和光稳定剂、抗氧化剂)、UV吸收剂、UV阻断剂、加工助剂、抗冲击改性剂、黏合剂、结晶促进剂或结晶阻滞剂、助流剂、润滑剂、脱模剂、增塑剂、自由基采集剂、抗静电剂、阻燃剂、着色剂和标记材料、板型纳米颗粒、层状硅酸盐、导电性添加剂，例如炭黑、石墨粉末或碳纳米纤维、用于改善热导率的添加剂，例如氮化硼、氮化铝。

优选微粒填料，例如滑石、云母、硅酸盐、石英、二氧化钛、硅灰石、高岭土、非晶的硅酸、碳酸镁、氢氧化镁、白垩、石灰、长石、实心或中空的玻璃球或磨砂玻璃、玻璃鳞片、永磁性或可磁化的金属化合物和/或合金、颜料、特别是硫酸钡、二氧化钛、氧化锌、硫化锌、铁氧化物、亚铬酸铜、或其混合物。填料还可以是经表面处理的。

在根据本发明的注射成型法中，优选使用的模塑材料在100s^-1至10000s^-1，特别是1000s^-1至10000s^-1的典型程序化剪切速率(剪切黏度)的情况下，具有根据ISO 11443测量的优选为10Pas至10000Pas，特别优选20Pas至3000Pas和非常特别优选30Pas至1000Pas的熔体黏度。根据ISO 1133的关于MVR的测定(熔体体积流率)，确定熔体黏度的温度从而符合用于该模塑材料的典型测量温度，其如在制造商的数据表中所显示的。如果这不可用，则选择测量温度为高于熔化温度(部分结晶的苏塑性材料基体)或高于模塑材料(非晶的塑性材料基体)的玻璃化转变温度5℃至100℃，优选10℃至40℃。例如，可以在335℃至355℃下测量用30重量％至60重量％的玻璃纤维填充的含PA 6T/6I(70:30)的聚酰胺模塑材料。

因此，在注射模具的过量填充、填充或部分填充期间，通过选择θ_FM热可以将进入注射模具的腔的注射位置的塑性模塑材料的熔体黏度调整至优选10Pas至8000Pas，优选50Pas至5000Pas。优选地，用50bar至2000bar的压力将热塑性模塑材料注射到注射模具的腔中。

此外，本发明涉及由用增强纤维填充的热塑性模塑材料形成的模塑部件。从而可以根据上述方法制备模塑部件。根据本发明的模塑部件以增强纤维在区域中具有沿至少一个变温可加热通道的轨迹的增强纤维的基本各向异性取向为特征，所述区域是在制备方法期间用配置至少一个变温可加热通道的区域而得到。

其结果是，相比于其他具有相同浇口位置通过常规注射成型法(即在上述意义上无变温加热)制备的相同部件，实现了部件显著增强的拉伸强度。

从而，增强纤维的取向由包含在一个有限的体积元中的n个增强纤维的群组的取向张量(a)定义，

其元素a_ij定义如下：

纤维的取向由取向张量(a_ij)的对角元a₁₁、a₂₂和a₃₃确定，

或分别表示长度1的向量的分量，其平行于第k个纤维延伸，其适用：

在局部坐标系中，分别由至少一个变温可加热通道温度控制的区域的每个观测到的有限体积元表明了向量其中，

x轴在各个被研究的有限体积元中，其分别固定地与至少一个变温可加热的通道轨迹相切，

y轴正交于x的方向，

z轴正交于x和y的方向，

如果取向张量(a_ij)的元素a₁₁的值在每个给定的有限体积元中为至少0.5，优选0.5至0.98，更优选0.6至0.95，进一步优选0.65至0.9，特别是0.7至0.85，则建立了基本各向异性的取向。

关于n的进一步定义或其他的标准坐标y和z，参考以上给出的解释。

尤其，根据本发明的模塑部件选自具有高机械需求的结构件和具有高尺寸精确需求的功能件。

此外，本发明涉及一种用于由包含增强纤维的热塑性模塑材料通过注射成型制备模塑部件的注射模具，其包含至少两个子模具，其围成再现待制备的模塑部件的外部几何形壮的腔，在至少一个子模具中提供了用于热塑性模塑材料填充腔的至少一个进口(浇口位置)，该热塑性模塑材料包含处于增塑态的增强纤维，在一个或全部子模具中，在限定腔的子模具壁中配置至少一个变温可加热的通道。根据本发明的注射模具可以特别地用于先前描述的根据本发明的由注射成型法制备模塑部件方法中。关于注射模具的特定结构的所有解释，特别是至少一个变温可加热通道也适用根据本发明提供的注射模具。

注射模具的优选实施方案提供了所有得子模具都具有至少一个突出部，其引起在待制备的模塑部件中的缺口，至少一个变温可加热通道以完全延伸的方式被配置，或至少配置在至少一个突出部周围的圆周区域中，其具有在流入方向上的延续和在流出方向上的延续，优选在突出部的投影上流入方向上的延续和流出方向上的延续被配置为相对于彼此而抵消，优选被配置为相对于彼此至少120°而抵消，特别地被配置为相对于彼此180°±10°而抵消。范围180°±10°包括在该范围中的任何角度，特别是精确的180°。

进一步优选地，提供的是待制备的模塑部件在使用期间具有主拉伸负载方向，在流入方向上的延续和在流出方向上的延续在突出部的投影上分别具有方向，其偏离主拉伸负载方向至多60°，优选至多50°，进一步优选至多40°，特别是至多30°。

优选地，注射模具具有至少一个溢出开口，其与腔流体连通，在过量填充注射模具的情况下，热塑性模塑材料可以从腔中流出进入溢出开口，溢处开口进一步优选地分别在溢出腔中开放。

根据进一步优选的实施方案，该至少一个变温可加热通道从注射模具的浇口位置开始，优选地在至少一个溢出开口处终止。

先前描述的延续优选地配置到注射模具的交口处；任选地或此外地，在流出方向上的延续还可以持续到溢出开口。

根据进一步优选的实施方案，至少一个变温可加热通道的面积总和构成1％至50％，优选3％至30％，特别优选4％至20％，特别地5％至10％的注射模具的腔的内表面。

任选地或此外地，还优选的是配置所述至少一个变温可加热通道为变温可加热的带，优选具有恒定宽度，宽度优选为0.2mm至30mm，优选0.5mm至10mm。

进一步有利的是根据本发明的注射模具具有冷却单元，通过该冷却单元可以冷却确定注射模具腔的壁。特别地，通过该冷却单元可以冷却注射模具腔的整个壁，使得位于腔中的热塑性模塑材料冷却和固化，从而可以显著地加快最终的形成过程。

附图说明

图1显示了注射成型部件；

图2示出了在相同部件上的矢量应力分布；

图3示出了用于制备根据图1和图2的模塑部件的注射成型法的示意图；

图4显示在图3(如图2中的相同部分)中示出了注射成型过程的最终产品；

图5是图4(图5a)和图2(图5b)的简化表示；

图6示出了根据本发明的注射模具的实施方案的示意图；

图7显示与图6中所示出的注射模具相同的注射模具；

图8详细地解释说明用于网格的单独体积元；

图9显示了根据本发明的方法(图9b)与根据现有技术(图9a)的相同注射模具的填充的模拟比较；

图10示出了在折射成型期间热塑性模塑材料中出现的温度模式；

图11示出了热塑性模塑材料在注射模具的腔中维持的速度图；

图12再现了根据本发明的方法实施期间的纤维分布；

图13再次比较了在拉伸负载期间在制备的模塑部件中出现的拉伸力和根据本发明方法制备的部件中的纤维分布；

图14再现了根据本发明的方法期间出现的纤维分布；

图15显示在根据现有技术制备的部件(图15a)以及根据本发明的方法制备的部件(图15b)的模拟测试的测试结果。

具体实施方式

参照之后的实施方案更详细地解释本发明，但是不希望将本发明限制为实施例。

根据本发明的方法能够影响模塑部件中纤维的取向，并在该区域中基本设计了该各向异性。

使用根据本发明的方法，给定浇口位置的相同位置，可以设计模塑部件使得主纤维取向(纤维取向x方向的张量)符合在所有机械相关区域中的最大主应力矢量(在x方向上模塑部件的预定负载)。根据本发明，在主应力轴(X-X)的方向上，纤维取向在试样整体厚度的至少最高50％，优选至少最高60％，特别优选最高至少65％或甚至70％上一致。在传统注射成型中，相似的浇口位置，纤维取向张量位于试样厚度的中心，占主应力矢量方向的至多35％。仅在边缘区域中实现了取向在主应力矢量方向的40％以上。

在大多数情况下，如果纤维取向偏离主应力轴，通常为传统的注射成型的情况，不可以完全利用关于材料强度的潜能。这意味着甚至在低应力水平发生部件的失效。

根据本发明的方法，相比于传统注射成型法(相同浇口位置)，由于在大多数情况下，在最大应力位置的增强纤维以应力矢量的方向为取向，因此可以实现在模塑部件失效前显著较高的强度。相比于传统注射成型强度增加了40％至100％，优选50％至80％。

根据本发明，使用其中至少一个模具壁具有额外的可加热元素的模具，该可加热元素从浇口位置开始，延续至模具壁区域，其意在影响纤维取向。如果经受特定的应用负载，模具壁的该区域对应于部件中最大应力的位置。优选地，该可加热元素从该区域延续至溢出腔，溢出腔邻接模具腔。关于各个模具壁的面积，该额外的可加热元素占据少于50％，优选少于30％和特别优选少于20％。该加热元素的宽度通常为0.5mm至10mm，并在模具壁中的路线可以是恒定的或变化的。在长度上，该加热元素描述了在模具壁表面上的路径，其可以自由选择，优选地从浇口延伸至溢出腔。在模具壁中至少一个补充加热元素的路线应该符合各自的工作来设计。该额外的加热确保了在保压阶段或填充阶段结束时，在模具腔中的塑性材料模塑材料在加热的区域，也就是变温可加热通道中仍是可流动的，同时剩余模塑材料已经以固化存在或至少是高度黏性的。

因此，在注射开始时变温可加热通道仍不具有显著性，而是以实际中不能区别于传统注射成型的方式将熔体加压到腔中。仅在保压阶段即将结束时，如果在变温可加热通道的区域外熔体已经固化，熔体流特别地穿过由模具壁中额外的加热元素加热的模具腔区域流动，事实上特别地直至溢出腔。通过该熔体流，沿变温可加热通道产生高纤维取向。

借助在模塑部件的主应力轴方向上相对于传统注射成型法改变的纤维取向，断裂强度改善最多100％。

由于用变温可加热通道的方法需要非常局部的加热和高设计自由，因此优选地使用厚膜加热技术用于加热通道。

例如，可以实现用于制备增强模塑部件的方法，使得将具有纤维增强(优选20重量％至70重量％)的塑性材料模塑材料注射到模具腔中，模具的至少一个壁具有至少一个额外的加热元素，其整体延伸，加热少于50％的壁面积，并投射到模具壁的表面上，具有0.5mm至10mm宽的带形式，其从浇口位置延伸至溢出腔的位置，除了具有额外加热元素的区域外，模具被温度控制至低于塑性材料固化温度的温度，在整个注射成型循环过程中将该温度保持几乎恒定(优选的温度控制(1))，以及在注射过程和保压阶段中将在额外的加热元素上的模具区域保持在塑性材料的固化温度以上，使得熔化的塑性材料模塑材料可以在保压阶段结束时仍在变温可加热通道中，且过量的熔体被倒入溢出腔中。

在至少一个区域中，至少一种额外的加热元素因此偏离最初的熔体流方向，即由浇口位置引起的熔体流的方向。

图中的参考：

D：部件中的突出部

F：应用于部件的力

K：注射模具腔

A：浇口位置

WL：合模线

VK：变温通道

剩余模具壁

F1：流入；供应塑性材料熔体至变温通道的变温通道部分，其在突出部D周围的圆中被引导

F2：流出；接收来自变温通道的塑性材料熔体的变温通道部分，其在突出部D周围的圆中被引导并供应塑性材料熔体至溢出

溢出

溢出腔

HR：加热通道

图1显示了注射成型部件，例如，矩形设计的注射成型部件，其被用于例如以下测试。该部件因此具有100mm的长度，75mm的宽度以及3mm的厚度，其突出到图像方向。在该部件的中心，引入具有30mm直径的圆形突出部D。

图1显示了如果对部件长度方向上施用力F(在例如10kN的情况下)，在部件中出现的应力分布。因此将部件固定在一侧上(在图1中为左手侧)。

可检测的是最大应力立即出现于垂直于张量方向的镗孔处。特别是这些位置因此能够预先成为该部件中的断裂点。

例如，图2中还解释说明在相同部件上的矢量应力分布。在图2中，用符号表示在各个示出位置的该应力，关于其主要作为部件(箭头方向)以及其绝对值(箭头大小)。

因此，借助模拟法(有限元法，使用由聚酰胺6T/6I(摩尔比70:30)组成的模塑材料)，用具有圆横截面(横截面直径：10μm，长度：200μm)的50重量％的熔点为325℃的玻璃纤维增强)确定针对根据图1和图2(以及在图3至15表示的其他全部测试)的部件的测试。

图3示出了用于制备根据图1和图2的模塑部件的注射成型法的示意图，如本领域现有技术已知的。腔K由此通过浇口位置A用处于熔化态的热塑性模塑材料填充，所述热塑性模塑材料包含例如玻璃纤维。在图3中示出了一种状态，其中腔K未用热塑性模塑材料完全填充，其中热塑性模塑材料已经部分地从浇口位置A流动到突出部D周围。热塑性模塑材料的各个流前沿还未完全地一起流动到突出部D周围，然而，在图3示出的状态中，汇流即将发生。

图4显示在图3(如图2中的相同部分)中示出了注射成型过程的最终产品。在注射模具的腔K完全填充后，由此获得模塑部件，在图3中示出的在热塑性模塑材料的两个前沿区域中，该模塑部件在一起流动后产生合模线WL。在图4中，再现了包含在热塑性模塑材料中的增强纤维的取向。可检测的是，增强纤维(在玻璃纤维的情况下)在区域WL中是各向异性分布的，并被引导远离突出部D。当两个流前沿一起流动时，玻璃纤维平行于彼此取向。

然而，在模塑部件中玻璃纤维的这种分布是极其不利的。这参考图5a和5b的比较来解释说明。同时，图5a是图4的简化表示，图5b对应于图2的简化表示。可检测的是，在合模线WL的区域中产生的纤维分布对于吸收在该区域出现的最大可能拉伸应力是无效的。为此，需要沿着或平行于拉伸力的纤维分布。然而，这用传统的注射成型法是不能实现的。在传统方法中，玻璃纤维或增强纤维的取向基本垂直于拉伸应力而产生。因此，合模线WL的区域不合适吸收出现的拉伸应力，因而代表了在获得的模塑部件中预确定的断裂点。

图6中示出了根据本发明的注射模具的实施方案的示意图，使用其的部件中增强纤维例如玻璃纤维的特定各向异性分布可以成为可能。因此，该注射模具示出了注射模具的侧视图(喷嘴侧)，其示出了模塑部件的长度侧和宽度侧。该部件的深度尺度即厚度从而被解释为向下延伸，与上图相符。

注射模具因此具有突出部D，使用该突出部D可以实现在相应待制备的模塑部件中的缺口。使用这种注射模具，根据相同的部件可以制备形状，如图1至5所示出的。

在至少一个限定该注射模具腔的壁中，在两个壁的情况下，即在前侧(喷嘴侧，其为浇口位置位于的侧)和后侧(喷出侧)，引入变温可加热通道VK，其可以局部地加热限定注射模具腔的通道壁。在图6所示的情况下，举例来说，变温可加热通道VK从浇口位置A开始，腔可以经由该浇口位置A用热塑性模塑材料填充。由此选择与图3所示出的相同的浇口位置。因此选择变温可加热通道为2.5mm宽，并在图6所示出的情况下的整个路线中具有相同的宽度。在图6中，从浇口位置看，变温可加热通道被引导至右向上上升，从而保持相对于注射模具的长度侧的角度为例如30°。变温可加热通道VK在其后偏离到供给管F₁，该供给管F₁由此朝突出部D运动。变温可加热通道因此在整个突出部周围具有圆的外形，并汇聚到排出F₂中。流入F₁和流出F₂因此恰好被配置为彼此相对。从而变温可加热通道在突出部D的区域中分支，其以环状地被引导在突出部D周围。变温可加热通道VK因此引导至溢出开口其被引入到注射模具的壁中(优选窄侧)，借助于此，过量的热塑性模塑材料可以从注射模具中冒出。如以下详细描述，用这种注射模具可以实施根据本发明的方法。针对这种注射模具的解释还适用于其后所有的实施方案。

图7显示与图6中所示出的注射模具相同的注射模具，由此溢出腔被配置在溢出出口其表示用于收集热塑性模塑材料的容器。在注射模具的浇口位置，所谓的热通道(“热流道”，HR)是合适的，热塑性模塑材料可以经由该热通道被注入注射模具中。因此，以暗色示出变温通道VK，与注射模具的剩余区域比较。该路线因此与图6中示出的路线相同。

在此使用以下假定作为基础：

包含增强纤维的模塑材料：

含玻璃纤维填充(填充度50重量％，玻璃纤维直径：10μm，部件中玻璃纤维的长度：200μm，熔点：325℃)的聚酰胺6T/6I(70:30)，结晶温度：θ_K＝285℃，MVR(340℃/21.6kg)＝100cm³/10分钟，熔体黏度(340℃，剪切速率为1000Hz)＝230Pas。

方法参数：

■剩余模具壁的温度：θ_W＝150℃

■在填充和过量填充期间模塑材料的温度：θ_FM＝340℃

■在保压阶段，在填充和过量填充期间沿轨迹的变温通道的温度：θ_VT＝305℃，

■在填充期间的注射速度(流速)：15cm³/秒

■至切换圧力的切换点：一旦达到25MPa的注射压力，则将由流速控制的填充切换至压力控制的填充

■在保压阶段的第一部分的保压压力：维持60MPa的压力10秒

■在保压阶段的第二部分的保压压力：应用120Mpa的压力6秒，将塑性材料熔体(模塑材料)沿轨迹压到溢出腔中

■在保压阶段的第三部分的保压压力：应用2.5MPa的压力1秒(保压压力阶段总计持续17秒)

■填充时间：1.6秒(无溢出腔的99体积％的填充)

■在99体积％填充的注射压力：25MPa

■溢出腔的体积：8.8cm³(在保压压力阶段的第二部分填充)

■腔的体积：20.38cm³

■过量填充的腔的体积比例：43.2％

用于其后的模拟计算，注射模具腔的体积被再分成网格，其实际在图7中解释说明。在图8中详细地解释说明用于网格的单独体积元。

如图3中所示的，图9显示了根据方法与根据现有技术(图9a)的相同注射模具的填充的模拟比较。图9b是用根据本发明的注射模具作出的填充过程的概图，如图6或图7中所示出。可检测的是，用热塑性模塑材料的注射模具的填充行为是基本相同的。甚至在根据本发明用注射模具的注射成型法期间(图9b)，在突出部D周围出现流，在此在突出部D远离浇口位置A的一侧上出现热塑性模塑材料的交汇。在图10a)和10b)中，示出了在折射成型期间热塑性模塑材料中出现的温度模式。在图10a)中，示出了不同的部分模式，其在注射模具的完全填充后或在注射模具的过量填充期间立即出现。借助变温可加热通道(未在图10a)中示出)，在两侧上实现注射模具的温度控制的区域，温度在熔体转换温度以上是明显的(这些是在图10a)中示出的区域I)。在剩余区域(区域II)，热塑性模塑材料的温度因此已经低于熔体转化温度。在注射模具的完全填充后，仅通过变温可加热通道实现温度控制的区域从而仍为熔融态的，即通过热流道HR进一步注射热塑性模塑材料。在浇口位置A，可以直接在配置变温可加热通道的地方实现热塑性模塑材料的特定流动。

在图10b)中，示出了包线(所谓的等值线图)，在其上在所选择的实施例中热塑性模塑材料的温度仍为305℃。可检测的是，这些区域在配置了变温可加热通道的地方是唯一地存在的。在注射模具的剩余区域中，无额外的加热不实现这些值，在这些区域中的温度因此在150℃附近。

在图11中，示出了热塑性模塑材料在注射模具的腔中维持的速度图。在此解释说明速度曲线为矢量，因此箭头表明流的方向，箭头长度因此对应于速度。

在图11a)中，示出了无变温可加热通道的注射模具的速度图。可检测的是，实现热塑性模塑材料的流的方向基本对称，直到注射模具完全填充。

在图11b)中，示出了随注射模具的局部过量填充而升高的位置。仅在变温可加热区域中实现热塑性模塑材料的流是明显的，因此热塑性模塑材料的流通过变温可加热通道基本沿着预定的轨迹。

在图12中再现了纤维分布，在根据本发明的方法实施期间产生了该分布。可检测的是，在变温通道区域中的纤维分布具有基本各向异性的结构，并沿着变温可加热通道的轨迹。

在图13a)和13b)中，类似于图5a)和5b)，再次比较了在拉伸负载期间在制备的模塑部件中出现的拉伸力和根据本发明方法制备的部件中的纤维分布。可检测的是，出现最高拉伸力(13b)的地方精确地实现纤维取向(13a)，其沿着拉伸力精确实现。因此纤维可以最优地吸收出现的拉伸应力。

在图14中，再现了根据本发明的方法期间出现的纤维分布，此处称为纤维取向法。由此在相对浇口位置的变温可加热通道的区域中实现的地方实现了纤维分布的计算。通过示意图中的黑点，在图14中的左侧示出了确定的位置。在该位置，局部坐标系即通过相切于变温通道轨迹而产生了被研究的x分量，与主拉伸负载方向一致。可检测的是，用常规制备方法实现了关于x方向或y方向上纤维取向的基本各向异性的纤维分布。纤维主要以该位置的y方向为取向，同时纤维以x方向为相应取向仅是次重要的。

如图14进一步明显的，可以用根据本发明的方法实现在x方向上的纤维分布变得最清楚，即在x方向上测量位置的纤维具有显著地各向异性分布，因此纤维的主要部分在x方向上是显著的。因此最优地在该位置取向的纤维用于吸收在部件中出现的拉伸力。

图15显示在根据现有技术制备的部件(图15a)以及根据本发明的方法制备的部件(图15b)的模拟测试的测试结果。在该测试中，在模塑部件的窄侧上施加1350N的拉伸负载，将模塑部件经受如图1中所示出的力。

根据图15a的含合模线的标准变体和根据图15b)的含摩擦合模线的变温变体在有限元计算(FE)的辅助下彼此比较。因此，实施该FE计算考虑来自注射成型模拟的纤维取向和含失效准则的各向异性材料模型。将有孔的板模型(尺寸100mm×75mm×3mm，直径30mm)固定在所有方向中的一侧，而在相对侧上外部施加垂直于表面的力。计算显示含合模线的标准变体模型在7965N下失效和含摩擦合模线的变温变体模型在12015N下失效。这代表了51％的改进。

图15中的图显示了在负载1350N期间使用的失效准则的颜色图。该图例因此显示了安全因子的倒数值。例如，值0.112由此指在该负载下安全相比失效为1/0.112＝8.9。变的清楚的是，含合模线的标准变体具有作为潜在失效区域的合模线，而含摩擦的合模线的变温变体不再显示合模线，而是显示潜在失效区域的整体的两个缺口区域。

Claims (24)

1.一种用于通过注射成型由包含增强纤维的热塑性模塑材料制备模塑部件的方法，其中，

用被加热至规定温度θ_FM，以增塑态存在，且包含增强纤维的热塑性模塑材料过量填充、完全填充或部分填充注射模具的腔至预定的填充水平，所述注射模具的腔在至少一个壁上具有沿轨迹延伸的至少一个变温可加热通道，

在所述注射模具被填充之前、填充期间和/或填充之后，将具有至少一个变温通道的壁的注射模具区域设置为温度θ_VT，将注射模具的壁的剩余区域永久地或至少有时设置为温度θ_W，其适用θ_W<θ_VT，

在过量填充、完全填充或部分填充至预定的填充水平后，将包含增强纤维的所述热塑性模塑材料冷却直至固化，

固化的模塑部件从所述注射模具中脱模。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述注射模具被过量填充，所述注射模具具有至少一个溢出开口，其优选地分别在溢出腔中终止，各个溢出腔与注射模具的腔流体连通，所述至少一个变温可加热通道从注射模具的浇口位置开始，并被引导至至少一个溢出开口，使得热塑性模塑材料在注射模具过量填充的情况下可以涌出注射模具的腔，经由至少一个溢出开口进入各个溢出腔中。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于实现所述注射模具的过量填充，使得

注射模具的腔体积被过量填充5体积％至100体积％，优选10体积％至70体积％，特别优选15体积％至50体积％，

在完全填充后，开始过量填充之前保持2秒至60秒的等待时间，期间优选地升高具有所述至少一个变温通道的壁的注射模具区域的温度θ_VT，和/或降低注射模具的壁的剩余区域中的温度θ_W，和/或

过量填充持续超过2秒至60秒的时间跨度。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过调节温差θ_W<θ_VT，实现对热塑性模塑材料中增强纤维的取向调节，得到沿所述至少一个变温可加热通道的轨迹的增强纤维的基本各向异性的取向。

5.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述增强纤维的取向由包含在一个有限的体积元中的n个增强纤维的群组的取向张量(a_ij)定义，有：

$\left(a_{ij}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ ...& a_{22}& a_{23}\\ ...& ...& a_{33}\end{array}\right)$

其元素a_ij定义如下：

$a_{ij}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{a}_{ij}^k=\frac{1}{n}\left(\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{p}_i^k{p}_j^k\right)$

纤维的取向由取向张量(a_ij)的对角元a₁₁、a₂₂和a₃₃确定，

或分别表示长度1的向量的分量，其平行于第k个纤维延伸，其适用：

$\stackrel{\&RightArrow;}{p^k}=\left(\begin{array}{c}{p}_1^k\\ p_2^k\\ p_3^k\end{array}\right)$

在局部坐标系中，分别在所述至少一个变温可加热通道的区域的每个被研究的有限体积元中显示了向量其中

x轴在各自被研究的有限体积元中，其分别固定地与至少一个变温可加热的通道轨迹相切，

y轴正交于x的方向，

z轴正交于x和y的方向，

如果取向张量(a_ij)的元素a₁₁的值在各自给定的有限体积元中为至少0.5，优选0.5至0.98，更优选0.6至0.95，进一步优选0.65至0.9，特别是0.7至0.85，则建立了基本各向异性的取向。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于其适用于：

θ_VT>θ_G或θ_VT>θ_K，优选θ_VT–θ_G≥10K或θ_VT–θ_K≥10K，θ_G指非晶的热塑性模塑材料的玻璃化转变温度，θ_K为部分结晶的热塑性模塑材料的结晶温度，

θ_VT＝θ_FM±40K和/或

θ_VT–θ_W≥50K，优选θ_VT–θ_W≥100K。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述注射模具的壁上的腔的一侧或两侧配置所述至少一个变温可加热通道。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少一个变温可加热通道的面积总和构成1％至50％，优选3％至30％，特别优选4％至20％，特别是5％至10％的所述注射模具的腔的内表面。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述注射模具具有至少一个突出部，其引起待制备的模塑部件中的缺口，所述突出部具有例如圆形、椭圆形、n角形构造，n为3或更大的自然数。

10.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，以完全延伸的方式或至少在所述至少一个突出部，优选地各个突出部周围的圆周区域中配置所述至少一个变温可加热通道，围绕着各个突出部周围的变温可加热通道被分别配置在注射模具的壁上的腔的一侧或两侧。

11.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，以完全延伸的方式或至少在所述至少一个突出部周围的圆周区域中配置的所述至少一个变温通道具有至少一个流入方向上的延续和至少一个流出方向上的延续，优选地，流入方向上的延续持续到所述注射模具的浇口位置和/或流出方向上的延续持续到所述至少一个溢出开口。

12.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，在所述突出部的投影中所述流入方向上的延续和所述流出方向上的延续被配置为相对于彼此而抵消，优选被配置为相对于彼此至少120°而抵消，特别地被配置为相对于彼此180°±10°而抵消。

13.根据两个前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述待制备的模塑部件在使用中具有主拉伸负载方向，在所述突出部的投影中彼此独立的流入方向上的延续和流出方向上的延续分别具有方向，其偏离主拉伸负载方向至多60°，优选至多50°，进一步优选至多40°，特别地至多30°。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

a)所述热塑性模塑材料包含至少一种热塑性基体聚合物或至少两种热塑性基体聚合物的混合物，或由至少一种热塑性基体聚合物或至少两种热塑性基体聚合物的混合物构成，其中所述增强纤维以分散态存在，所述至少一种基体聚合物优选地选自聚酰胺，包括聚酰胺酰亚胺、聚醚酰胺和聚酯酰胺；聚碳酸酯；聚烯烃，特别是聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯或聚氯乙烯(PVC)；聚丙烯酸酯/盐，特别是聚丙烯酸酯，例如聚甲基丙烯酸甲酯；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物；聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚对苯二甲酸环己二醇酯；聚砜(特别是PSU、PESU、PPSU型)，聚苯硫醚；聚醚，特别是聚甲醛、聚苯醚和聚亚苯基氧化物、液晶聚合物；聚醚酮；聚醚醚酮；聚酰亚胺；聚酯酰亚胺、聚酯醚酰胺；聚氨酯，特别是TPU或PUR类型；聚硅氧烷；赛璐珞以及其混合物或组合，

b)所述增强纤维选自玻璃纤维、碳纤维和钛晶须，特别地具有圆形或扁平横截面和/或0.2mm至20mm的长度和/或5μm至20μm的直径，和/或

c)在所述热塑性模塑材料中增强纤维的重量比例为5重量％至80重量％，优选20重量％至70重量％。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于

a)在剪切速率为100Hz至10000Hz的情况下，根据ISO 11443测量热塑性模塑材料的剪切黏度，优选为10Pas至10000Pas，特别优选20Pas至3000Pas，非常特别优选30Pas至1000Pas，

b)被调节，和/或

c)用50bar至2000bar的压力将热塑性模塑材料注射到注射模具的腔中。

16.由根据前述权利要求中任一项所述的方法制备的、用增强纤维填充的热塑性模塑材料制成的模塑部件，其特征在于，在制备方法期间，在与所述至少一个变温可加热通道一致的区域中，沿所述至少一个变温可加热通道的轨迹，所述增强纤维具有增强纤维的基本各向异性的取向。

17.根据前述权利要求所述的模塑部件，其特征在于，所述增强纤维的取向由包含在一个有限的体积元中的n个增强纤维的群组的取向张量(a_ij)定义，有：

$\left(a_{ij}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ ...& a_{22}& a_{23}\\ ...& ...& a_{33}\end{array}\right)$

其元素a_ij定义如下：

$a_{ij}=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{a}_{ij}^k=\frac{1}{n}\left(\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{p}_i^k{p}_j^k\right)$

纤维的取向由取向张量(a_ij)的对角元a₁₁、a₂₂和a₃₃确定，

或分别表示长度1的向量的分量，其平行于第k个纤维延伸，其适用：

$\stackrel{\&RightArrow;}{p^k}=\left(\begin{array}{c}{p}_1^k\\ p_2^k\\ p_3^k\end{array}\right)$

在局部坐标系中，分别在由所述至少一个变温可加热通道而温度控制的区域的每个考虑的有限体积元中显示了向量局部坐标系中，由所述至少一个变温可加热的通道温度控制区域的每个考虑的有限体积元，其中，

x轴在分别考虑的有限体积元中，其分别固定地与所述至少一个变温可加热的通道轨迹相切，

y轴正交于x的方向，

z轴正交于x和y的方向，

如果取向张量(a_ij)的元素a₁₁的值在各自给定的有限体积元中为至少0.5，优选0.5至0.98，更优选0.6至0.95，进一步优选0.65至0.9，特别为0.7至0.85，则建立了基本各向异性的取向。

18.一种用于制备模塑部件的注射模具，所述模塑部件由包含增强纤维的热塑性模塑材料通过注射成型制成，所述注射模具包含：

至少两个子模具，其组合的封装了再现待制备模塑部件的外部几何外形的腔，在至少一个子模具(浇口位置)中提供至少一个进口，用于将处于增塑态、且包含增强纤维的热塑性模塑材料填充所述腔，

在一个或全部子模具中，在限定腔的子模具壁中配置至少一个变温可加热通道。

19.根据前述权利要求所述的注射模具，其特征在于两个子模具具有至少一个突出部，其引起待制备的模塑部件中的缺口，

至少一个变温可加热通道以完全延伸或至少在所述至少一个突出部周围的圆周区域中的方式配置，其具有流入方向上的延续和流出方向上的延续，

在所述突出部的投影中，流入方向上的延续和流出方向上的延续被配置为相对于彼此抵消，优选被配置为相对于彼此至少120°而抵消，特别地被配置在所述突出部的相对侧上。

20.根据两个前述权利要求中任一项所述的注射模具，其特征在于，所述待制备的模塑部件在使用期间具有主拉伸负载方向，在所述突出部的投影中，流入方向上的延续和流出方向上的延续分别具有偏离主拉伸负载方向至多60°，优选至多50°，进一步优选至多40°，特别地至多30°的方向。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的注射模具，其特征在于，所述注射模具具有与腔流体连通的至少一个溢出开口，在过量填充所述注射模具的情况下，热塑性模塑材料可以从所述腔流入溢出开口，所述溢出开口进一步优选地分别在溢出腔中开放。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的注射模具，其特征在于，所述至少一个变温可加热的通道从所述注射模具的浇口位置开始，优选地在所述至少一个溢出开口处终止。

23.根据权利要求18至22中任一项所述的注射模具，其特征在于，所述流入方向上的延续持续至所述注射模具的浇口位置和/或所述流出方向上的延续持续至所述溢出开口。

24.根据权利要求18至23中任一项所述的注射模具，其特征在于，

a)所述至少一个变温可加热通道的面积总和构成1％至50％，优选3％至30％，特别优选4％至20％，特别地5％至10％的所述注射模具的腔的内表面，和/或

b)将所述至少一个变温可加热通道配置为变温可加热的带，优选具有恒定宽度，所述宽度优选为0.2mm至30mm，优选0.5mm至10mm。